图像:低温电子显微镜(cryo-EM)分析蛋白质的速冻溶液，使用高倍电子显微镜产生单个分子或亚细胞结构的图像。
资料来源:芝加哥大学
蛋白质是一切生物的组成部分。从进行化学反应的酶到在细胞间传递信号的信使，人们对这些蛋白质是如何产生和做什么的进行了大量研究。2004年，亚伦·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫尔什科(Avram Hershko)和欧文·罗斯(Irwin Rose)因为一个不同但同样重要的蛋白质机械过程获得了诺贝尔化学奖:当生物体完成它们的工作时，它们是如何分解蛋白质的。
蛋白质降解是一个精心安排的过程。蛋白质用一种叫做泛素的分子标记进行处理，然后被送入蛋白酶体，蛋白酶体是一种细胞碎纸机，它将蛋白质切成小块。泛素化或用泛素标记蛋白质的过程参与了广泛的细胞过程，包括细胞分裂、DNA修复和免疫反应。
在《自然》杂志于2021年11月17日发表的一项新研究中，芝加哥大学的研究人员使用先进的电子显微镜深入研究了蛋白质降解的过程。他们描述了一种关键酶的结构，它有助于介导酵母中的泛素化，这是一种被称为N-degron途径的细胞过程的一部分，它可能决定了人类中高达80%的等效蛋白质的降解率。这一途径的故障会导致受损或折叠错误的蛋白质积累，这是衰老过程、神经退行性变和一些罕见的常染色体隐性遗传病的基础，因此更好地了解它为开发治疗提供了机会。
美国芝加哥大学赵明磊（Minglei Zhao）助理教授和他的同事在研究了一种泛素E3连接酶Ubr1。在面包酵母中，Ubr1帮助启动泛素化过程，因为它将泛素附着在蛋白质上，并将泛素拉长成被称为聚合物的分子链。
“在这项研究之前，我们对泛素聚合物的结构是如何形成的了解并不多，”赵教授说，“现在我们开始了解它首先是如何安装到蛋白质基质上的，然后聚合物是如何以特定的连接方式形成的。这是在近原子水平上理解多泛素化的一个里程碑。”
在这项研究中，这一研究团队使用了一些化学生物学技术来模拟将泛素附着到蛋白质上的最初步骤。然后，他们利用另一项获得诺贝尔奖的创新——低温电子显微镜(cryo-EM)来捕捉这一过程。低温电镜技术是将蛋白质快速冷冻，然后使用高倍电子显微镜生成单个分子或亚细胞结构的图像。大约10年前，硬件和软件的突破制造出了显微镜和探测器，可以以更高的分辨率捕捉分子图像。2017年，雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson)因开发了低温电镜技术而获得诺贝尔化学奖，该技术允许研究人员创建一个快照，冻结生物过程的“活体”活动。
赵教授团队利用先进电子显微镜设备生物科学部门1000万美元的投资，利用这一技术更详细地研究泛素化。他们能够描述参与这一途径的几个中间酶复合物的结构，这将帮助研究人员寻找用药物靶向蛋白质的方法或干预失灵的蛋白质降解过程。
“低温电镜技术是令人兴奋的，因为在数据处理完成后，一个你从未见过的新结构就会出现，现在，我们可以利用我们所学到的知识，通过引入小分子或多肽混合物来重新利用酶来降解我们想要的蛋白质。”
文章标题“对ubr1介导的多聚泛素化的结构洞察
Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination